一種氣液固三相分離器

《一種氣液固三相分離器》是大慶石油學院於2008年4月28日申請的發明專利，該專利的申請號為2008100940261，公布號為CN101259348，公布日為2008年9月10日，發明人是蔣明虎、劉揚、趙立新、李楓、張勇。

《一種氣液固三相分離器》所述分離筒內側面中心位置固定有一個槌形體，底端面封閉，開有一根排砂管及一根排液管，此分離筒內底端由下向上依次固定連線排液段、集液段以及脫氣錐，排氣管由脫氣錐起，貫穿脫氣錐、集液段以及排液段的中心部分後引出分離筒外，所述排液段的上端與集液段連通，下端與排液管連通；上述脫氣錐、集液段以及排液段的中心軸線均與所述槌形體的中心軸線重合，且脫氣錐的頂端面與折流板之間不相觸。具有分離效果好、體積小、製造及操作成本低等突出優點。

2014年11月6日，《一種氣液固三相分離器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種氣液固三相分離器》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種氣液固三相分離器
• 公布號：CN101259348
• 公布日：2008年9月10日
• 申請號：2008100940261
• 申請日：2008年4月28日
• 申請人：大慶石油學院
• 地址：黑龍江省大慶市開發區
• 發明人：蔣明虎、劉揚、趙立新、李楓、張勇
• 分類號：B01D45/16（2006.01）；B01D21/26（2006.01）
• 代理機構：大慶知文智慧財產權代理有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：李建華

專利背景

2008年4月前，對於氣、液、固三相分離主要採用重力式沉降罐。經過長期套用，發現這種重力沉降式設備存在如下缺陷：首先，其體積較大，內部通常設定有堰板等組件，結構較為複雜。其次，由於這種重力沉降式設備是採用重力作用進行分離處理，因此具有處理時間長、工作不連續及占地面積龐大等突出的弊端。另外，這種重力沉降式氣液固三相分離器的分離原理是利用介質間的密度差而進行離心分離的，對於密度差較大的介質，其分離效果相對就較好，相應的也就導致了對於高度離散在液體中的氣體則很難分離。因此，如何改進氣液固三相分離器的結構、改善氣液固三相分離效果已成為油氣田地面工程系統一個亟待解決的問題。

發明內容

專利目的

為了解決2008年4月已有技術中採用重力沉降式設備進行氣、液、固三相分離時存在的分離器體積大、內部結構複雜以及對高度離散在液體中的氣體分離效果差等問題，《一種氣液固三相分離器》提出了一種新的氣液固三相分離器，該種氣液固三相分離器具有分離效率高、設備體積小、分離速度快、結構簡單緊湊、製造及操作成本低等突出優點。

技術方案

《一種氣液固三相分離器》主體部分為頂端帶有對稱切向入口管的分離筒，所述分離筒頂端面封閉，其內側面中心位置固定有一個槌形體，此槌形體上部為置頂錐，作為與分離筒內側面的連線端，下部則為空心的擴張段，兩部分之間以折流板分隔。所述分離筒底端面封閉，沿切線方向開有一根排砂管，沿中心軸線方向開有一根排液管，此分離筒內底端由下向上依次固定連線空心圓柱狀的排液段、開有集液孔的集液段以及脫氣錐。其中，集液段與脫氣錐均為錐形圓台形狀，兩者具有相同的錐角，排氣管由脫氣錐起，貫穿脫氣錐、集液段以及排液段的中心部分後引出分離筒外，所述排液段的上端與集液段連通，下端與排液管連通。上述脫氣錐、集液段以及排液段的中心軸線均與所述槌形體的中心軸線重合，且脫氣錐的頂端面與折流板之間不相觸。

有益效果

採取上述方案後，同2008年4月前常用的氣液固三相分離裝置相比，其分離筒內由置頂錐和擴張段構成的槌形體結構，可以使聚集在置頂錐外壁的氣體在後續進入的混合液的攜帶下，沿置頂錐外壁面向下運移，而這部分氣體通常情況下則很難從其它分離器中排出；此外，置頂錐下面的擴張段可使後續混合介質向分離筒方向運動，避免對分離器內部已分離出氣體的干擾；再次，經旋流分離出的氣體，會含有部分液體，將沿脫氣錐向上運動，至折流板時，由於密度差的存在，液體慣性勢必大於氣體，因此氣體含水率將得到進一步降低，這部分氣體反向進入脫氣錐中心的排氣管，之後排出；與此同時，分離筒中脫氣錐下的集液段用於分離後液體的收集，並且採用分離器底部排液的方式，不會破壞分離器內部的流場；另外，排液段外側的環形空間用於分離後固相的排出，會有少部分液相隨固相一同排出，該分離筒採用切向排出的方式可增加分離器有效分離段的長度，因而可獲得更高的分離效率。概括的說，該種氣液固三相分離器具有分離效率高、設備體積小、操作維護方便等優點，將有效地解決油田生產實際中面臨的三相分離設備成本高、占地大、處理過程不連續等難題。同時該結構也可實現油-氣-水三相介質的高效分離。

附圖說明

圖1是該種氣液固三相分離器的結構示意圖。

圖2是該種氣液固三相分離器的結構及工作原理示意圖。

圖3是圖2的A-A剖面圖。

圖4是圖2的B-B剖面圖。

圖5為帶有漸縮面的該種氣液固三相分離器的結構示意圖。

圖中1-入口管，2-分離筒，3-脫氣錐，4-集液段，5-集液孔，6-排液段，7-漸縮面，8-排液管，9-排氣管，10-排砂管，11-擴張段，12-折流板，13-置頂錐。

權利要求

1、《一種氣液固三相分離器》包括頂端帶有對稱切向入口管（1）的分離筒（2），其特徵在於：所述分離筒（2）頂端面封閉，其內側面中心位置固定有一個槌形體，此槌形體上部為置頂錐（13），作為與分離筒內側面的連線端，下部則為空心的擴張段（11），兩部分之間以折流板（12）分隔；所述分離筒（2）底端面封閉，沿切線方向開有一根排砂管（10），沿中心軸線方向開有一根排液管（8），此分離筒（2）內底端由下向上依次固定連線空心圓柱狀的排液段（6）、開有集液孔（5）的集液段（4）以及脫氣錐（3），其中，集液段（4）與脫氣錐（3）均為錐形圓台形狀，兩者具有相同的錐角，排氣管（9）由脫氣錐（3）起，貫穿脫氣錐（3）、集液段（4）以及排液段（6）的中心部分後引出分離筒外，所述排液段（6）的上端與集液段（4）連通，下端與排液管（8）連通；上述脫氣錐（3）、集液段（4）以及排液段（6）的中心軸線均與所述槌形體的中心軸線重合，且脫氣錐（3）的頂端面與折流板（12）之間不相觸。

2、根據權利要求1所述的一種氣液固三相分離器，其特徵在於：所述集液孔（5）在集液段（4）上的分布方式為軸向上中部孔徑大，兩端孔徑小。

3、根據權利要求1或2所述的一種氣液固三相分離器，其特徵在於：排液段（6）內與排液管（8）連通的部分採用一個漸縮面（7）。

實施方式

《一種氣液固三相分離器》中所述氣、液、固三相分離器，其結構如圖1所示，主體是一個頂端帶有對稱切向入口管1的分離筒2，所述分離筒2的頂端面封閉，其內側面中心位置固定有一個槌形體，此槌形體上部為置頂錐13，作為與分離筒內側面的連線端，下部則為空心的擴張段11，兩部分之間以折流板12分隔。所述分離筒2底端面封閉，沿切線方向開有一根排砂管10，沿中心軸線方向開有一根排液管8，此分離筒2內底端由下向上依次固定連線空心圓柱狀的排液段6、開有集液孔5的集液段4以及脫氣錐3，其中，集液段4與脫氣錐3均為錐形圓台形狀，兩者具有相同的錐角，排氣管9由脫氣錐3起，貫穿脫氣錐3、集液段4以及排液段6的中心部分後引出分離筒外，所述排液段6的上端與集液段4連通，下端與排液管8連通。上述脫氣錐3、集液段4以及排液段6的中心軸線均與所述槌形體的中心軸線重合，且脫氣錐3的頂端面與折流板12之間不相觸。

該種氣液固三相分離器的分離原理是利用不互溶介質的密度差而進行離心分離的。氣液固三相混合介質由雙向的入口管1進入分離筒內，在壓力作用下，介質在設備內部高速旋轉，形成高速運動的渦流。分離器筒的置頂錐結構，可以使聚集在置頂錐外壁的氣體在後續進入的混合介質的攜帶下，沿置頂錐的外壁面向下運移。置頂錐底端的擴張段可使後續混合介質向分離筒的方向運動，避免對分離筒內部已分離出氣體的干擾。混合介質沿分離器下行的過程中，在離心力作用下，密度較重相——固液混合相被甩至分離筒的內壁。同時，密度較輕相——氣體被擠至中心處，分離筒中的特殊內錐結構，使混合介質中的氣體與脫氣錐接觸，有利於氣體的析出與聚集，形成氣體富集區。這部分氣體，可能會含有部分液體，將沿脫氣錐向上運動，至折流板時，由於密度差的存在，液體慣性勢必大於氣體，因此在折返時氣體含水率得到進一步降低，這部分氣體反向進入脫氣錐中心的排氣管，最終由分離器底部排出。固液混合相在向底部運動的過程中也存在固相和液相間的離心分離作用，液相靠內，即沿分離器中的脫氣錐和集液段運動，固相則靠外，沿分離筒內壁運動。脫氣錐下的集液段通過集液孔用於分離後液體的收集。集液段4上的集液孔5可以採用軸向上兩邊孔徑大、中間孔徑小的方式。這是基於最佳化方案的考慮，具體理由為：在稍上端靠近脫氣錐處，介質分離過程剛剛開始，如果孔徑過大，可能會導致未被分離的部分固體介質進入；在下部如果孔徑過大，會致使排液段外圍附近被分離的固體介質由集液孔進入。因而為實2008年4月已有效集液和防止固體介質的過量進入，採用中部孔徑偏大、兩端偏小的設計。該方案採用分離筒底部排液的方式，不會破壞分離筒內部的流場，使液體由排液管排出。排液段外側的環形空間可用於分離後固相的運動，並最終由排砂管排出。排砂管的設計可採用切向通道的型式，目的在於可增加分離器有效分離段的長度，因而可獲得更高的分離效率。該方案實現了分離後氣、液、固三相的單獨連續排出。

在分離器的內部結構設計中，除排氣管以外，脫氣錐可設計成環形空腔結構形式並和集液段之間採用隔板的形式隔開，或將脫氣錐設計成中間穿過排氣管的實體結構。集液段在圓柱形排液段上方，目的是保證排液段外圍環形空間內流場的穩定性，保證固相的穩定運動和排出。排液段採用空腔結構設計，用於被分離和收集的液體的排出；另外排液段採用圓柱外形結構，利於保證外圍環形空間內流場的相對穩定性。此外，排液段內的底部可設計成漸縮面7的結構形式，目的是與排液管的尺寸相適應。

普通結構旋流分離器的底部由於採用軸向出口設計，因而基本不起分離作用。而該種結構的分離器將固相出口置於底部，並採用切向排出的方式，這樣既不破壞分離器內部的流場，又可以增加分離器有效分離段的長度，可以使氣液固三相分離的效率得到提高。圖2中標註了一些主要參數及尺寸，分別解釋如下：

Di	入口管當量直徑，根據入口速度和流量來確定，一般保證速度在8～15米/秒；
Dg	排氣管直徑，Dg＝（0.5～1.0）Di；
Ds	排砂管直徑，為避免排砂管處發生堵塞現象，Ds＝（1.2～1.5）Di；
Dl	排液管直徑，DI＝（0.7～1.0）Di；
D	分離筒主直徑，根據所分離介質的物性參數及入口流量確定；
Dc	排液段直徑，一般應Dc＝（0.2～0.6）D，且應保證（D-Dc）/2足夠大，避免發生堵塞；
D	排液孔直徑，一般為2～4毫米左右，也可根據固體顆粒的大小適當加大d值，以防未被分離的固體顆粒進入時而發生堵塞。同時採用軸向上中部孔徑偏大、兩端孔徑偏小的設計；
n	排液孔數，根據入口液體含量確定，各孔儘量交錯均布排列。
lo	置頂錐及擴張段總體長度，lo＝（2～4）Di，其中置頂錐和擴張段長度各占一半左右；
lg	脫氣錐長度，lg＝（0.2～0.4）l，l為分離器總長，根據分離器主直徑D確定，一般l＝（3～5）D；
ll	集液段長度，lI＝（0.2～0.3）l；
ls	（3～5）Ds；
α	錐角，脫氣錐與集液段錐角大小一致，一般為5～30度。

同2008年4月前常用的氣液固三相分離器相比，該分離器中的脫氣錐可以增加不易分離的氣體的析出幾率，提高脫氣效率；這部分氣體沿脫氣錐向上運動，至折流板時，由於液體慣性勢必大於氣體，因此在折返時氣體含水率得到進一步降低；分離器頂部的置頂錐結構有助於排除死角內的氣體；置頂錐下部擴張段結構，可使後續不斷進入的三相混合介質向分離筒方向運動，不對氣體的運動造成干擾，同時可使被分離氣體由折流板折返後而脫出的液體也向分離筒方向運動；脫氣錐下部集液段用於被分離出的液體介質的收集，採用中部集液孔徑偏大、兩端孔徑偏小的設計，可有效實現集液並防止固體介質過量進入的目的，並且採用分離器底部排液的方式，不會破壞分離器內部的流場；與此同時，底部的固相切向出口可以增加分離器有效分離段的長度，因而可獲得更高的分離效率。此外，該分離器同其他氣液固三相分離工藝及設備相比，具有設備體積小、占地面積小、工藝及操作簡單、內部無運動部件等突出的優點。該分離器的套用範圍很廣，既可套用於化工行業及油田生產，又可套用於醫藥等其它領域，具有廣闊的推廣套用前景，並且該分離器也可實現油-氣-水三相的高效分離。

總之，該方案自提出後，已通過大量試驗證明了該種分離器具有分離效率高、設備體積小、分離速度快、結構簡單緊湊等突出的優點，較好的解決了油氣田地面工程系統中氣液固三相分離的問題。

榮譽表彰

2014年11月6日，《一種氣液固三相分離器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。